Материал: Проектирование судового измерительно-вычислительного комплекса, предназначенного для осуществления измерений навигационных параметров судна и их дальнейшей математической обработки

   (9)

Из уравнений (8) и (9) определяются проекции вектора течения  через составляющие :

Тогда модуль и направление вектора течения:

.

Аналогично можно определить вектор течения в системе координат , соответствующей , и в системе координат , соответствующей :

для первого курса

для второго курса

где  - направления течения для курсов судна  и  соответственно. Направление течения в этом случае в географической системе координат можно рассчитать по формулам  или .

В зависимости от расположения измерительного проводника (угла ) возможны различные конструктивные модификации измерителей, позволяющие получить и различную информацию о скорости перемещения судна.

В случае, когда используется измерительный проводник с жестко закрепленными на корпусе судна электродами, размещение его возможно вдоль диаметральной плоскости судна и перпендикулярно к ней.

Рисунок 3.6 - Измерение скорости с помощью проводника с жестко закрепленными на корпусе судна электродами.

При расположении проводника вдоль ДП (рисунок 3.6), то есть при , ЭДС

индукции в соответствии с (7) равна

,

то есть ЭДС пропорциональна поперечной составляющей . При отсутствии дрейфа ():

.

Таким образом, при отсутствии дрейфа при применении жестко закрепленного на судне измерительного проводника измеряется величина поперечной составляющей вектора течения .

Для получения полного вектора течения необходимо измерить его составляющие на двух различных курсах, а затем вычислить величину и направление вектора .

При расположении измерительного проводника перпендикулярно к ДП () можно определить продольную составляющую скорости перемещения судна относительно грунта. Индуцируемая в проводнике ЭДС в этом случае равна

.

,

то есть будет пропорциональна скорости судна относительно воды и продольной составляющей скорости течения.

Применение двух взаимно перпендикулярных измерительных проводников (продольного и поперечного измерителей) позволяет определить полный вектор скорости  и суммарный снос .

Исходными данными для расчета базового расстояния  геоэлектромагнитного измерителя являются: чувствительность измерительного прибора ; требуемая точность измерения скорости ; напряженность вертикальной составляющей магнитного поля Земли  (определяется по известной широте местоположения судна ).

Базовое расстояние между измерительными проводниками

.

Корреляционный лаг

Принцип действия корреляционных лагов заключается в измерении времени сдвига между двумя акустическими сигналами, излучаемыми с движущегося судна, отраженными от морского дна и принятыми размещенными в направление судна антеннами.

Отраженные сигналы из-за микронеровностей судна - спектр лучей с различной временной задержкой случайного характера.

Измерение задержки - определяется максимальным взаимодействием корреляционной функции двух эхолотов Rxy.

Рисунок 3.7 - Принцип действия корреляционного лага

На рисунке показаны три расположенные в диаметральной плоскости антенны с одинаковыми дистанциями направленности, которые перекрывают друг друга. Излучающая антенна 3 находиться между приемными 1 и 2. В момент t1 на приемнике 1 будет принят эхосигнал излучателя 3, отраженный от дна в контрольной точке, т.е. зависящий от характера и структуры грунта и от проходимости ими в воде расстояния. Амплитуда и фаза принятого сигнала определяется траекторией лучей R3 и R1(рис. а). Рельеф дна воспроизведенный в антенне 1, как непрерывный профиль, рассмотрим как реализацию случайной функции Rx(график), т.е. корреляционную функцию этого сигнала.

Через t судно переместиться на расстояние L( рисунок б). Антенна 3 займет положение антенны 1, а 2-3 R’3 и R2 повторяет предыдущую траекторию, но в противоположном направлении. Но изменение направления сигнала не меняет его амплитуды и фазы и реализация случайной функции Rу близка к Rх , т.е. в этой точке сильная корреляция слоев. Поэтому взаимная корреляционная функция равна:

в данной точке максимальная.

Это справедливо для любой точки морского дна, которая находится в зоне, перекрываемыми диаграммами направленности, запаздывание равно отношению пройденного расстояния к скорости судна:

не зависит от скорости волны, что является важным преимуществом перед доплеровским лагами.

То есть измерение скорости состоит в нахождение времени сдвига сигналов, принятыми антеннами 1 и 2. Это осуществляется путем корреляционный обработки принтых сигналов. Поэтому в канал 1-го сигнала вводят временную задержку t3 и изменяют ее, пока не наступит max Rxy, t3=t1.

Кроме независимости от скорости звука, к достоинствам относятся широкие пределы использования по углам качки за счет широких диаграмм направленности антенн. Лаг в импульсном режиме восполняет функции эхолота.

В качестве такого лага в данном ИВК используется лаг SAL - 840(Швеция) с диапазоном измеряемых скоростей от 0 до +30 узлов. Погрешность измерения по скорости  0,1 узла, по расстоянию 1 %, рабочая глубина до 300 м, fраб=180кГц; ширина диапазона направленности 30, расстояние между преобразователями 2L=3см; одновременное измерение глубин до 200 м с точностью ±1%; общая масса 40 кг.

В комплект приборов лага SAL-840 входят:

·   гидроакустический преобразователь (Transducer), установленный в клинкете (Sea-valve);

·   электронный блок (Electronics unit);

·   распределительная коробка (Distribution box);

·   цифровой указатель скорости и расстояния (Digital speed/ distance display);

·   аналоговый указатель скорости и расстояния (Analogue speed distance display);

·   указатель глубины (Depth display).

Гидроакустический преобразователь (трансдьюсер) содержит пьезоэлектрические элементы, размещенные в едином корпусе диаметром 92 мм. Трансдьюсер установлен в клинкете заподлицо с днищем судна. Акустические волны излучаются вертикально вниз. В режиме WT используется частота 4 MГц (импульсный вариант). Звук отражается от частиц в воде с глубины 12 см, при этом измеряется относительная скорость судна. В режиме ВТ применяется частота 150 кГц. Звук отражатся от грунта. Вычисление скорости V производится в компьютерном блоке (на основе корреляционной функции) по формуле:

,

где S - расстояние между носовым и кормовым элементами транса, Т - время задержки сигнала, определяемое электронным коррелятором.

Число приемников КЛ и их размещение зависит от решаемых задач. Для измерения продольной составляющей скорости судна достаточно иметь два приемника, разнесенных в диаметральной плоскости судна. Наличие неучтенного угла сноса приводит к относительной погрешности измерителей.

где l - угол сноса, =0,5°; V=0.4%

Полный вектор скорости с учетом угла скоса определяется с помощью 3х приемных антенн. Варианты размещения которых показаны на рисунке а) и б)

; ; ;

Где 1 и 2 - антенны, 3 - угол сноса, И - излучатель

Рисунок 3.8 - Варианты размещения антенн на судне

; ,

где g - размах измерительной базы.

Рисунок 3.9 - Устройство корреляционного лага

ГА - гидроакустическая антенна;

ППУ - приемо-передающее устройство;

КУ - корреляционное устройство;

БРЗ - блок регулировки задержки;

МУ - множительное устройство;

И - интегратор;

К - коррелятор;

СС - схема смещения.

ГА и ГПУ обеспечивают излучение и прием сигналов.

Отраженные от грунта колебания с помощью разнесенных акустических преобразователей преобразуются в идентичные, но сдвинутые во времени электрические сигналы, которые после обработки в ППУ поступают на вход автоматического КУ в виде центрированных величин:

В тракт сигнала вводится регулируемая задержка 3. При этом на выходе коррелятора К, который состоит из БРЗ, МУ, И формируется сигнал, пропорциональный Rxy, который выводится на СС и дополнительная схема регулирует 3 так, чтобы Rxy=max. При этом введенная задержка равна 1(транспортному запаздыванию) по которому и определяется скорость судна.

Гироскопический курсоуказатель "ГКУ-1М"

Гироскопический курсоуказатель "ГКУ-1М" обеспечивает непрерывное определение положения меридиана в режиме гирокомпаса "ГК" и хранение заданного направления в режиме гироазимута "ГА".

Курсоуказатель этого типа предназначен для установки на крупных кораблях и судах морского флота, совершающих плавания вплоть до широты 90°. В зависимости от комплектации, он может вырабатывать курс объекта как в плоскости палубы, так и в плоскости горизонта.

Для увеличения точности определения мгновенных координат местоположения судна в состав измерительно-вычислительного комплекса введена система коррекции координат Glonass.

Навигационные датчики, по индикации которых определяется положение судна в пространстве, определяются позиционными средствами измерения. Основными средствами при решении задач навигации судов на современном этапе являются спутниковые навигационные системы GPS (США) и Glonass (Россия). Обе системы заявлены в 1996 году, одобрены IMO с точностными характеристиками 100 м GPS и 45 м Glonass.

Приемоиндикаторы среднеорбитальной спутниковой системы Glonass включены в состав обязательной судовой аппаратуры, предусмотрены главой 5 конвенции «Solas».

Glonass - глобальная всепогодная навигационная система: 24 ИСЗ, наземный командный измерительный комплекс и аппаратура потребителей. Обеспечивает изображение в трехмерном околоземном, в двухмерном наземном пространстве. Спутники расположены на трех средневысоких орбитах 19100 км, по 8 спутников на каждой. Период обращения 11 часов 15 минут. Плоскости орбит расположены через 120 градусов и наклонены к экватору под углом 64,8 градусов.

 Каждый спутник излучает информацию о своей точной позиции и позиции других спутников на 2 частотах: f1и f2, но, в отличие от GPS, их значения лежат в диапазонах f1 = 1602,6-1615,5 МГц, f2=1246,4-1256,5 МГц. Частоты всех спутников отличаются на 0,4375 МГц (частотное разделение информации).

Навигационные сигналы представляют р-код, излучаемый на f1 и f2, и общедоступный с/а код (на f1). Аппаратура потребителей сигналов включает 24 частотных каналов, средняя точность определения местоположения судна - 8 м.

Если GPS имеет наименьшую точность в средних широтах, то Glonass - в высоких широтах, т.е. системы могут выгодно дополнять друг друга и использоваться совместно под названием GNSS. Это позволяет повысить и надежность за счет увеличения числа необходимых спутников.

Принцип коррекции координат судна поясняется схемой, приведенной на рисунке 3.10 .

Рисунок 3.10 - Коррекция координат судна

Геоцентрические координаты искусственных спутников Земли ,,, где n = 1…4. Расчёт этих координат осуществляется с точностью до единиц метров по параметрам орбиты спутника, передаваемых в навигационных сообщениях.

ИСЗ передают сигналы в строго определённые моменты времени. Для чего на каждом спутнике есть точные часы с относительной точностью 10-13. На судне также должны быть точные часы, в результате чего можно измерять время прохождения сигнала от ИСЗ до судна Т.

,

где с - скорость распространения электромагнитных волн.

Уравнение связи: .

При использовании нескольких ИСЗ это уравнение примет вид:

,

где i =1…4 - номер спутника, ,,-рассчитываемые геоцентрические координаты по счисленным географическим координатам ,.